Điện áp và chu kỳ làm việc liên quan như thế nào trong điều chế rộng xung (PWM)?

Mối quan hệ giữa điện áp và chu kỳ làm việc trong Điều chế rộng xung (PWM)

Điều chế rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra trung bình bằng cách kiểm soát chu kỳ làm việc của tín hiệu chuyển mạch. PWM được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển động cơ, quản lý năng lượng và điều chỉnh độ sáng LED. Hiểu rõ mối quan hệ giữa điện áp và chu kỳ làm việc trong PWM là rất quan trọng để sử dụng và thiết kế hệ thống PWM chính xác.

1. Nguyên tắc cơ bản của PWM

• Tín hiệu PWM: Tín hiệu PWM là một sóng vuông có tần số cố định nhưng tỷ lệ giữa mức cao (on) và mức thấp (off) thay đổi trong mỗi chu kỳ. Tỷ lệ này được gọi là chu kỳ làm việc.

• Chu kỳ làm việc: Chu kỳ làm việc là tỷ lệ thời gian tín hiệu ở mức cao (on) so với tổng thời gian của chu kỳ PWM. Nó thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm hoặc phân số từ 0 đến 1. Ví dụ, chu kỳ làm việc 50% có nghĩa là tín hiệu ở mức cao trong nửa chu kỳ và mức thấp trong nửa còn lại; chu kỳ làm việc 100% có nghĩa là tín hiệu luôn ở mức cao; và chu kỳ làm việc 0% có nghĩa là tín hiệu luôn ở mức thấp.

• Tần số PWM: Tần số của tín hiệu PWM xác định thời gian của mỗi chu kỳ. Tần số cao hơn dẫn đến chu kỳ ngắn hơn, và tín hiệu PWM thay đổi nhanh hơn.

2. Mối quan hệ giữa điện áp và chu kỳ làm việc trong PWM

• Điện áp trung bình: Trong PWM, điện áp đầu ra trung bình tỷ lệ thuận với chu kỳ làm việc. Nếu điện áp đỉnh của tín hiệu PWM là   ${\mathrm{<br>\; }}_{}$Vmax, điện áp đầu ra trung bình   ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">Vavg\; có\; thể\; được\; tính\; bằng\; công\; thức\; sau:</span>\; }}_{}$

Vavg=D×Vmax

Trong đó:

• Vavg là điện áp đầu ra trung bình.

• D là chu kỳ làm việc (0 ≤ D ≤ 1).

• Vmax là điện áp đỉnh của tín hiệu PWM (thường là điện áp nguồn).

• Ảnh hưởng của chu kỳ làm việc đối với điện áp trung bình:

• Khi chu kỳ làm việc là 0%, tín hiệu PWM luôn ở mức thấp, và điện áp đầu ra trung bình là 0.

• Khi chu kỳ làm việc là 100%, tín hiệu PWM luôn ở mức cao, và điện áp đầu ra trung bình bằng điện áp đỉnh Vmax.

• Khi chu kỳ làm việc nằm giữa 0% và 100%, điện áp đầu ra trung bình là một tỷ lệ của điện áp đỉnh. Ví dụ, chu kỳ làm việc 50% dẫn đến điện áp đầu ra trung bình bằng một nửa điện áp đỉnh.

3. Ví dụ về ứng dụng của PWM

a. Điều khiển động cơ

• Trong điều khiển động cơ, PWM được sử dụng để điều chỉnh tốc độ hoặc mô-men xoắn của động cơ. Bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM, điện áp trung bình được áp dụng cho động cơ có thể được kiểm soát, do đó điều chỉnh công suất đầu ra của động cơ. Ví dụ, giảm chu kỳ làm việc sẽ làm giảm điện áp trung bình, làm chậm động cơ, trong khi tăng chu kỳ làm việc sẽ làm tăng điện áp trung bình, tăng tốc động cơ.

b. Điều chỉnh độ sáng LED

• Trong các ứng dụng điều chỉnh độ sáng LED, PWM được sử dụng để điều chỉnh độ sáng của LED. Bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM, dòng điện trung bình qua LED có thể được kiểm soát, do đó điều chỉnh độ sáng của nó. Ví dụ, chu kỳ làm việc 50% dẫn đến độ sáng của LED bằng một nửa tối đa, trong khi chu kỳ làm việc 100% làm cho LED sáng hoàn toàn.

c. Bộ chuyển đổi DC-DC

• Trong bộ chuyển đổi DC-DC (như bộ chuyển đổi buck hoặc boost), PWM được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra. Bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM, thời gian on và off của thiết bị chuyển mạch có thể được kiểm soát, do đó điều chỉnh điện áp đầu ra. Ví dụ, trong bộ chuyển đổi buck, tăng chu kỳ làm việc sẽ làm tăng điện áp đầu ra, trong khi giảm chu kỳ làm việc sẽ làm giảm nó.

4. Ưu điểm của PWM

• Hiệu suất cao: PWM điều khiển điện áp thông qua các hoạt động chuyển mạch thay vì điều chỉnh tuyến tính (ví dụ: sử dụng chia điện áp bằng điện trở), dẫn đến ít hao phí năng lượng và hiệu suất cao hơn.

• Kiểm soát chính xác: Bằng cách điều chỉnh chính xác chu kỳ làm việc, PWM cho phép kiểm soát chính xác điện áp hoặc dòng điện đầu ra.

• Đa dạng: PWM có thể dễ dàng thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau, như điều khiển động cơ, điều chỉnh độ sáng LED và quản lý năng lượng.

5. Hạn chế của PWM

• Sự can nhiễu điện từ (EMI): Do tín hiệu PWM là tín hiệu chuyển mạch tần số cao, chúng có thể tạo ra sự can nhiễu điện từ, đặc biệt là ở tần số cao. Các kỹ thuật lọc và chắn điện từ phù hợp nên được sử dụng trong thiết kế hệ thống PWM.

• Tiếng ồn: Trong một số ứng dụng, tín hiệu PWM có thể gây ra tiếng ồn có thể nghe thấy, đặc biệt là trong thiết bị âm thanh hoặc điều khiển động cơ. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách chọn tần số PWM phù hợp.

Tóm tắt

Trong Điều chế rộng xung (PWM), điện áp đầu ra trung bình tỷ lệ thuận trực tiếp với chu kỳ làm việc. Chu kỳ làm việc xác định tỷ lệ thời gian tín hiệu ở mức cao trong chu kỳ PWM, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra trung bình. Bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc, điện áp hoặc dòng điện đầu ra có thể được linh hoạt điều chỉnh mà không cần thay đổi điện áp nguồn. Công nghệ PWM được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ, điều chỉnh độ sáng LED, quản lý năng lượng và các ứng dụng khác, mang lại hiệu suất cao và kiểm soát chính xác.